В конце 40-х годов считали, что постоянная Хаббла равна приблизительно 200 км/с на мегапарсек. Заметим, что первоначальное число самого Хаббла было 560 км/с на мегапарсек. Соответствующий возраст Вселенной был несуразно мал: 1–2 миллиарда лет. На эту трудность обращал внимание Альберт Эйнштейн. Значение 200 км/с на мегапарсек, принятое в конце 40-х годов, дающее возраст Вселенной до 5 миллиардов лет, буквально не противоречило геологическим данным о возрасте Земли (4,5 миллиарда лет). Однако близость возраста Земли и Солнца и возраста всей Вселенной естественно вела к мысли, что все химические элементы, из которых состоит Земля и которые мы находим на Солнце, имеют первичное, космологическое, происхождение.
Вайнберг отмечает, что предполагалось наличие первичных нейтронов в горячем и плотном веществе. Более того, предполагалось, что первоначально все вещество состояло только из нейтронов и затем, в ходе расширения и охлаждения, превращалось в ту смесь элементов и изотопов, которую мы наблюдаем в нашей Галактике. Казалось естественным, что легкие элементы, образующиеся с выделением энергии (от водорода до железа), как-то образуются при распаде нейтронов, соединении нейтронов и протонов и в термоядерных реакциях. Тяжелые элементы при этом образовывались бы путем последовательного захвата нейтронов. Для того чтобы полностью не сгорели элементы с большим сечением захвата медленных нейтронов (бор, кадмий и другие), приходилось предполагать, что нейтроны горячие, и отсюда следовала оценка температуры излучения.
Цепь аргументов содержит много слабых мест: 1) отмеченное Хаяши быстрое превращение нейтронов в протоны и обратно при высокой температуре, раньше, чем в момент t = 1с, исключает начальное нейтронное состояние; 2) невозможность получения элементов тяжелее А = 5 (и второй барьер при А = 8) при последовательном присоединении нейтронов, а также малая плотность барионов исключают получение элементов тяжелее 4Не в сколько-нибудь заметных количествах.
Следовательно, аргументы Гамова, приведшие к предсказанию Т = 6 К, неверны, а само предсказание, тем не менее, очень близко к истине!
В настоящее время мы уверены, что элементы тяжелее 4Не (и, может быть, следов лития) образуются в звездах. Солнце — это звезда второго поколения, образовавшаяся из газа, побывавшего ранее в составе звезды первого поколения и выброшенного при взрыве этой звезды. Современный возраст Вселенной (10–18 миллиардов лет) вполне согласуется с этими представлениями.
Несмотря на все эти недостатки, именно концепция Гамова и его энтузиазм привлекли внимание теоретиков к физической космологии и инициировали те последующие работы, теоретические и экспериментальные, которые завершились созданием современной картины происхождения Вселенной.
Любопытную деталь сообщает советский академик Б.М. Понтекорво, начинавший путь в физике учеником Энрико Ферми. Первые правильные расчеты ядерных реакций были сделаны Ферми и Туркевичем в конце 40-х годов. Однако эта работа никогда не была опубликована. Альфер и Херман тоже приводят лишь результаты расчетов Ферми и Туркевича. Причина заключается в том, что сечение реакции трития с дейтерием было в то время классифицированным, т. е. секретным. Только знаменитое выступление И.В. Курчатова в английском атомном центре в Харуэлле (1956 год) сорвало железный занавес секретности с работ по термоядерному синтезу.
Обратимся к советским работам начала 60-х годов. Автору дополнения было ясно, что горячая модель Вселенной приводит к 25-30-процентной распространенности 4Не в первичном газе. Ядро 4Не чрезвычайно прочное. Поэтому как догма был принят тезис, что если где-либо найден газ с содержанием 4Не, меньшим 25 %, то теория горячей Вселенной неправильна. В то время были и работы, в которых утверждалось, что содержание гелия в некоторых объектах порядка 10 % или меньше.
К началу 60-х годов были выполнены теоретические работы по эволюции чисто водородных звезд, с неплохим совпадением вычисленных и наблюдаемых свойств звезд. Поэтому была поставлена и решена задача — нельзя ли построить космологическую модель, приводящую к Вселенной, состоящей вначале из чистого водорода? Оказалось, что холодная модель с определенным количеством нейтрино (равным числу электронов), но без антинейтрино, удовлетворяет этому условию (1962 год). Вместе с тем было ясно, что выбор между горячей и холодной моделями зависит также от измерения теплового излучения.
По предложению автора дополнения в работе А.Г. Дорошкевича и И.Д. Новикова (1964 год) был рассмотрен совокупный спектр радиоизлучения и видимого света звезд. С этим спектром сравнивалось планковское равновесное излучение различной температуры. Была построена характерная двугорбая кривая. Даже при планковской температуре 1 К, когда полная энергия микроволнового излучения меньше энергии света звезд, существует область длин волн, в которой планковское излучение доминирует. Было отмечено, что измерения именно в этой области спектра позволяют однозначно сделать выбор между горячей и холодной моделями.
Однако опубликованная в «Докладах Академии наук СССР» заметка А.Г. Дорошкевича и И.Д. Новикова стала известной только малому числу советских радиоастрономов, и лишь значительно позже, после работ Пензиаса и Вилсона (отмеченных в 1978 году Нобелевской премией по физике) и теоретической работы Дикке, Пиблза, Партриджа и Уилкинсона, зарубежные радиоастрономы нашли заметку Дорошкевича и Новикова и — в лице Пензиаса — отдали ей должное.
ДОПОЛНЕНИЕ 10. О ФАЗОВЫХ ПЕРЕХОДАХПРИ СВЕРХВЫСОКОЙ ТЕМПЕРАТУРЕ
Как правильно отмечено Вайнбергом, основная идея, что при высокой температуре мир находится в максимально симметричном состоянии, принадлежит Д.А. Киржницу и А.Д. Линде. При охлаждении происходит фазовый переход в современное несимметричное состояние.
В теории фазовых переходов и доменов (областей с различными свойствами, возникающих после фазового перехода в ранней Вселенной) в настоящее время есть значительный произвол, и поэтому можно представить себе различные варианты.
В одном варианте возникают домены двух типов, которые условно назовем + и —. В этих доменах некоторые тонкие эффекты имеют разный знак. Физики, живущие в разных доменах и обменивающиеся информацией, могли бы это обнаружить. Важнее, однако, тот факт, отмеченный Я.Б. Зельдовичем, И.Ю. Кобзаревым и Л.Б. Окунем (1974 год), что домены + и — разделены тяжелой стенкой. Оценки ее массы дают значение около 1 кг на квадратный сантиметр. Такие стенки создали бы грандиозные возмущения в распределении галактик и в микроволновом излучении. Можно с уверенностью сказать, что таких стенок нет, а следовательно, нужно обратиться к другому варианту теории.
Действительно, существуют теории, согласно которым после понижения температуры физические условия и законы во всем пространстве становятся одинаковыми, но иными по сравнению с условиями при высокой температуре. При этом есть такие разновидности теории, которые предсказывают образование тяжелых изолированных нитей. Возникает вопрос, нельзя ли начало Вселенной до перехода представить в виде идеального однородного мира. Образование нитей при охлаждении могло бы дать возмущения, необходимые для образования современной структуры.
Наконец, возможны и такие теории, в которых фазовый переход из горячего в холодное состояние почти не оставляет заметных следов. В таком случае мы возвращаемся к предположению об изначально возмущенной Вселенной (см. дополнение редактора 11 о гравитационных волнах).
Наличие различных возможностей указывает на недостаточный уровень наших знаний в настоящее время. Принципиально важно, что в ряде случаев космология становится арбитром в выборе между теориями явлений в микромире — в том выборе, который бы должен был быть сделан путем опытов на ускорителях, но для которого мощность ускорителей еще долго будет недостаточной.
ДОПОЛНЕНИЕ 11. ГРАВИТАЦИОННЫЕ ВОЛНЫ
Вайнберг пишет о гравитационных волнах, которые находились в термодинамическом равновесии при сверхвысокой температуре, а в настоящее время имеют температуру около 1 К. Их типичная длина волны около 1 см, а частота 30 миллиардов герц (колебаний в секунду).
Однако можно предполагать, что существуют также чрезвычайно длинные гравитационные волны другого происхождения.
Теория Фридмана несомненно является лишь хорошим приближением к действительности. Существование структуры — галактик и скоплений галактик — свидетельствует о том, что в начальном состоянии были определенные возмущения плотности и возмущения метрики пространства. В этом случае естественно предположить, что возмущения разного типа (и в том числе те, которые превращаются в гравитационные волны) имели примерно одинаковую амплитуду. Эту гипотезу «равнораспределения» выдвинули в 1968 году Я.Б. Зельдович и И.Д. Новиков.
Общая плотность порожденного таким образом гравитационного излучения меньше плотности теплового гравитационного излучения, но именно в области сверхдлинных волн от парсеков до мегапарсеков гравитационные волны, связанные с начальными возмущениями, неизмеримо сильнее тепловых. Обнаружение сверхдлинных волн принципиально не исключено. Интересные соображения о квантовом рождении гравитационных волн высказывают советские теоретики Л.И. Грищук и А.А. Старобинский.
ДОПОЛНЕНИЕ 12. ДАЛЕКОЕ БУДУЩЕЕ ОТКРЫТОЙ ВСЕЛЕННОЙ
Вайнберг говорит о превращении горячих звезд в карликовые звезды, или нейтронные звезды, или черные дыры — в зависимости от начальной массы звезды и особенностей ее эволюции. Эти процессы происходят за время, сравнимое с сегодняшним возрастом Вселенной (10–18 миллиардов лет).
Предположим, что Вселенная открытая или плоская, т. е. суммарная плотность всех видов вещества (излучения, нейтрино и «обычной» материи — барионов) меньше или равна критической. Такая Вселенная как целое неограниченно расширяется.